基于B/S模式的工程机械再制造过程信息追溯系统设计与实现

黄向明　宿　彪　王伏林　张传杰

(湖南大学机械与运载工程学院　湖南 长沙 410082)



基于B/S模式的工程机械再制造过程信息追溯系统设计与实现

黄向明宿彪王伏林张传杰

(湖南大学机械与运载工程学院湖南 长沙 410082)

针对再制造企业追溯管理中存在着信息分散、追溯关系不明、追溯能力不足、无法实现再制造过程信息追溯等问题，提出一种基于B/S模式的再制造过程信息追溯系统。在分析工程机械再制造过程信息特点的基础上，设计再制造过程追溯信息链;根据该信息链，给出再制造过程信息追溯系统的架构模式和系统功能结构模型;分析适用于工程机械再制造过程信息采集的标签类型，提出系统实现的关键技术和系统追溯流程。通过在武汉某工程机械有限公司的示范应用，该系统能够满足再制造过程信息和质量信息的跟踪和追溯。

再制造过程B/S模式追溯系统工程机械

0　引　言

21世纪以来，我国经济在取得高速发展的同时，环境污染、资源枯竭和生态失衡等一系列问题也日趋突出。中国政府在实施可持续发展战略的过程中，具有中国特色的再制造工程应运而生[1]。工程机械再制造是以工程机械的全生命周期为指导，以退役旧机的零部件为原材料，运用各种先进的表面鉴定和修复技术，使其恢复甚至超越原有的性能，实现资源的循环利用的过程[2,3]。

工程机械再制造过程包括退役产品的回收、拆解、无损检测、修复和再装配。再制造系统中退役机械产品的设计信息与性能信息、修复过程的修复工艺和质检信息、再装配过程的物料信息和过程信息具有高度不确定性和动态强相关性，前一过程的信息直接影响后一过程的再制造策略。再制造工程机械产品装配零部件绝大多数是经修复以后的退役旧件，退役旧件由于生产厂家、使用情况和修复技术的不同，使得同一型号的不同零件个体间的质量特性呈非正态分布。这些质量特性在工序间存在动态的相互作用，并且这种相互作用会沿再制造过程向下游传递、耦合。再制造过程中再制造产品的质量保证取决于再制造装配工艺和零部件加工质量[4]，零部件的质量受再制造修复工艺和检测水平的影响，而零部件的再制造工艺则由退役零部件的损伤程度和损伤形式所决定。因此为了减少前一过程不确定性因素对后一过程的影响，研究不确定环境下再制造各个过程的质量信息、物料信息和工艺信息等过程信息的采集方式，以及再制造关键零部件和整机过程信息的正向跟踪和逆向追溯技术，对提高再制造企业的管理水平和产品质量具有重要的现实意义。国内外学者从不同角度对信息追溯技术进行了研究，赵文心等[5]提出了一种基于追溯事件链和追溯批次清单相结合的追溯模型，为实现飞机产品生命周期信息追溯提供了一种参考方案；李敬花等[6]研究了多代理系统的钢板追溯机理，构建了基于RFID和MAS技术的海洋工程装备钢板追溯系统；叶水珍等[7]研究了二维码技术在发动机装配线数据采集中的应用，建立了面向发动机装配数据的追溯系统；刘桂君[8]从质量改进、过程组织、项目管理等理论入手，提出一个基于6σ循环质量模型和戴明循环模型为核心的汽车质量信息追溯系统；Yang等[9]通过构建质量信息追溯模型，探讨了统计过程控制(SPC)和二维码技术在质量追溯中的应用；Jansen-Vullers等[10]通过建立装配序列中的原材料、零部件、中间件的图形列表关系，实现产品制造过程的追溯。然而，上述研究主要是针对新机或零部件的局部生产过程信息的追溯，而对于复杂机械产品再制造全生命周期过程信息跟踪和追溯方面的研究尚不多见。

为此，本文以武汉某工程机械再制造有限公司的实际需求，开展了基于产品唯一标识的工程机械再制造生命周期信息追溯技术研究。并引入RFID技术对再制造过程信息进行数据采集和溯源控制，构建了基于B/S模式的以RFID电子标签作为信息载体的再制造过程信息追溯系统。

1　工程机械再制造过程信息链设计

1.1工程机械再制造过程信息分类

工程机械再制造过程伴随大量过程信息的产生。本文按照数据性质的不同，把再制造过程信息分为加工过程信息、检验过程信息、物料信息和售后维修信息。

(1) 加工过程信息包括工作编号、工作名称、加工工艺、操作者、设备编号、设备名称、开始时间、结束时间、加工状态以及加工结果等信息。

(2) 检验过程信息包括工作编号、部件名称、检测项目、检验工艺、检验员、检验设备、检验指导书、检验技术文件、检验结果和检验结论等信息。

(3) 物料信息包括物料编号、物料名称、物料类型(自制件、修复件、采购件、重用件)、设计信息、质量规范、追溯方式、物料状态、用于装配整机型号、再制造件的来源旧机和性能信息、采购件的供应商和采购员等信息。

(4) 销售和维修信息包括整机编号和型号、客户信息、客户类型、维修网点、故障类型、故障零部件、维修描述、维修工时等信息。

1.2工程机械再制造过程信息特点

再制造过程涉及到的信息种类繁多，并且存在大量的动态和不确定性因素。这些不确定因素的存在使再制造过程信息的采集和零部件质量评估变得非常困难，其特点主要表现在以下几个方面：

(1) 再制造物料来源输入的不确定性再制造的物料输入来自于退役的旧机，然而，任一时期内无法保证退役旧机供应的稳定性。同时由于每台旧机的再制造率不同，无法预测哪些零部件可以进行再制造，使得再制造物料输入在来源、时间、数量上具有很强的不确定性。

(2) 再制造修复工艺的不确定性具有再制造价值的零部件，由于其故障和失效模式存在差异，导致其再制造工艺和再制造时间存在差异。

(3) 再制造装配过程的不确定性再制造装配过程是修复件、重用件和全新件的混装。然而不同修复工艺所达到的再制造零部件的使用寿命、可靠性、经济性等指标存在差异，再制造零部件的这些差异直接影响再制造部件或整机的性能和经济性。

(4) 再制造过程信息的复杂性和相关性由于再制造过程不确定性因素的影响，使得再制造旧机回收与拆解计划、零部件采购计划、再制造生产计划的制定存在动态相关性。同时上一环节的质量参数和状态信息是下一环节组织生产的依据，为了保证再制造产品的质量，需要对再制造关键零部件全过程的设计信息、工艺信息、质量信息及整机的销售和维修等进行采集和管理。

1.3工程机械再制造过程信息追溯链设计

再制造过程涉及到的零部件种类繁多、结构复杂，为了实现对再制造过程信息跟踪和追溯，形成一个完整的信息链是一个关键问题。为此需要解决两个基本问题，一是退役旧机与再制造零部件的对应、再制造件与再制造工艺和再制造过程信息的对应，以及再制造整机与零部件、装配过程信息、售后维修明细的对应；二是回收信息、再制造过程信息、销售和维修信息的完整性。

本文在再制造企业现有业务流程的基础上，对再制造过程信息流进行了优化改善，改善后的信息流如图1所示。从图1可以看出，从旧机入厂开始，到再制造新机进入销售环节，中间过程一系列实物从一个整机拆解为零件，再由零件组装成为部件和整机，最后销售和维修。通过对不同阶段的实体进行标识，并利用计算机技术把这些信息识别出来，并保存到数据库中，从而保证再制造生命周期过程信息的准确性和完整性。

图1　再制造过程信息溯链

具体流程如下：

(1) 回收登记旧机回收入厂后，对旧机进行初步鉴定，确定旧机再制造方式。回收登记时录入旧机的型号、VIN码、回收单等信息建立与回收系统的关联，采购件登记时录入采购单号和供应商编号等信息。登记完成后，系统按照设定的批号生成规则，为每个旧机或采购件生成一个ID，然后把ID写入RFID标签，并分配给对应的实物，实现对旧机和采购件的标识。

(2) 拆解和修复在本系统中，拆解过程在系统外完成。系统不记录拆解过程，只是通过实例化拆解BOM为每一个零件生成一个ID，建立零件和旧机的关联关系。鉴定时，鉴定工序的作业人员通过扫描零件的RFID标签，获得该零件的具体信息进行鉴定，并根据鉴定结果确定零件下一步的再制造策略，并保存到数据库。最后由追溯系统把重用件、外协件、修复件数据传递给ERP系统，ERP系统根据库存状态和生产计划制定出零部件的采购计划。

(3) 组装和调试组装工单下达后，系统生成一个工单号和产物序列号，在生产线第一工位把总成序列号写入到电子标签。装配时各工位的作业人员利用读写器扫描标签，获取该工位对应的人员、物料、设备、检验等资源的需求，然后扫描零部件标签进行装配匹配，装配结束。在PDA终端点击“报工”把装配关系连同开工时间、结束时间、作业者、设备等信息一起保存到数据库，实现工单、产物、零部件和工序过程信息的对应。调试工序与组装工序类似。

(4) 销售和维修销售登记时通过整机序列号的唯一标识完成了再制造整机在企业的再制造过程和出售后产品实体的绑定，实现再制造整机与再制造过程信息的关联；维修登记实现整机与维修明细的关联。这样，通过产品的序列号可以追溯到其再制造过程信息，也可以跟踪到出售后的信息，使之成为一个完整的追溯链。

2　追溯系统总体架构设计

2.1系统结构模式设计

为了满足再制造总部、各地再制造中心、销售和维修中心的不同需求，同时实现不同权限的多用户跨地域登录管理，使整个追溯系统在不同企业和部门间实现信息共享，本文系统选用B/S架构模式。在这种模式中，客户端只需安装一个浏览器即可完成所有对数据库的操作，减轻了系统维护的成本。基于B/S模式的再制造过程信息追溯系统架构如图2所示。

图2　再制造过程信息追溯系统的总体架构图

在企业内部，再制造追溯系统结构可分为企业管理层、车间监控层和工位采集层三个层次。企业管理层位于系统最上层，负责旧机的回收、拆解、计划的下达和信息追溯等；同时企业管理层完成与销售和维修节点的通信和数据集成，实现对企业外部销售和维修信息的监控。

车间监控层是连接企业管理层和工位采集层的中间层，并充当工位生产过程信息的数据处理服务器。厂区各车间采用分布式控制器，完成各自对应车间信息的采集和处理，通过企业以太网把处理后的数据传送到再制造过程管理服务器。同时车间控制器实现与逆向回收系统和ERP系统的数据和业务方面的集成。

工位采集层上连车间监控层，利用数据采集终端实现底层关键工位过程信息的采集。由于再制造车间环境复杂，车间布线难度大、维护成本高，工位采集层与车间监控层采用ZigBee无线网络进行数据通信。ZigBee是国际标准的工业级网络，具有功耗低、抗干扰性强、网络容量大、布网灵活性大、便于数据采集设备接入等优点[11]。

2.2系统功能结构设计

根据工程机械再制造过程信息的特点，为了实现对再制造过程人员、物料、设备、检验结果等的跟踪和追溯，本文系统划分为七个功能模块，功能结构模型划分如图3所示。

图3　基于B/S模式的再制造过程信息追溯系统功能结构模型

(1) 企业建模该模块主要是定义再制造区域中心、再制造销售和维修网点、再制造工厂、再制造车间及车间工位，并对这些实体进行分类编码。企业建模的完成对于实现再制造过程信息产生源位置的追溯起到重要的作用。

(2) 基础信息管理模块该模块设有人员管理、设备管理、物料管理、图文档管理四个子模块，用以对再制造过程涉及到的人员信息、设备信息、物料信息、设计图文档等信息进行定义和分类，实现追溯系统基础数据的维护。

(3) 登记管理模块该模块设有回收登记和登记查询两个子模块，实现回收入厂的旧机和采购件的登记和查询。

(4) 拆解管理模块该模块设有未拆解、拆解中、已拆解三个子模块，用于查询处于未拆解、拆解中、已拆解三种拆解状态下的旧机。对于未拆解的旧机，根据拆解BOM，通过“实例化拆解BOM”生成整机或部件的一级BOM清单，为每个零件生成一个序列号。

(5) 生产管理模块该模块是企业组织生产的重要依据，设有四个子模块：① 物料BOM：定义再制造部件或整机的组装BOM和拆解BOM，其中拆解BOM可以根据拆解结果动态调整，把缺失的零件从BOM清单中删除，避免数据的赘余。② 质量管理：根据物料定义或工艺路线定义工序的定性或定量的质量规范。③ 工作定义：工作定义又称为生产工艺流程，是用于指导生产的技术文件。该模块用以定义产品的工艺路线，并根据产品把物料BOM和质检规范分配到对应工序，同时每道工序都对应有设备规格、人员规格、物料规格、检验规格、技术要求规格，建立工艺路线、工序、人员、物料和质检规范的映射关系。④ 生产计划：本系统是以工单为驱动，所有生产任务的下达均通过派发工单完成。该模块的主要任务是根据企业的生产计划制定对应的生产工单，并对工单的执行进度进行监控。

(6) 追溯管理模块该模块设有检验过程追溯、加工过程追溯和物料追溯三个子模块，实现对再制造产品过程信息的跟踪和追溯。通过输入相关查询条件，在加工过程追溯模块可以追溯到零部件或整机的装配过程、调试过程等过程中涉及到的人员、设备、工时等过程信息；在检验过程追溯模块可以追溯到零件的鉴定和修复过程的检验信息、部件或整机装配过程检验信息；在物料追溯模块可以追溯到整机或部件使用了哪些零件或部件、缺陷零部件的来源，并可以跟踪到缺陷零件的流向。

(7) 销售和维修管理模块该模块负责把出售的再制造新机的客户信息和整机信息、客户在维修网点的维修明细录入系统，并对整机的故障问题分类汇总，形成历史质量数据库，为企业进行质量改进和产品的二次回收提供数据支持。

3　信息采集方案

3.1标签选型

为了减少再制造过程不确定性因素在工序间的传播，保证再制造产品的质量，并最终实现再制造过程信息的追溯，需要精确获取再制造拆解、修复、检验、装配、调试过程的质量参数和过程信息。因此构建高效的数据采集平台对再制造过程信息进行实时感知尤为重要。基于工程机械再制造的特点，本文提出了基于RFID电子标签的再制造过程信息采集方案，利用RFID技术实现再制造过程信息的感知和物理实体编码与系统对应数据的映射关系，这两个功能可为再制造过程信息追溯提供精确的数据源。与其他信息采集方式相比，RFID标签具有体积小、抗干扰能力强，适应于各种复杂的环境，可以绕开障碍物完成对信息的自动采集、标签可以多次循环使用等优点[12]。

影响RFID标签性能的主要参数有供电方式、工作频率、数据传输速率、作用距离和封装形式等。针对工程机械生产现场布置密集、标签多次循环使用的特点，所有标签选择无源被动式标签。此类标签工作距离适中、价格较低，且只有进入阅读器识读范围，获得阅读器发出的工作能量后才能进入激活状态，可以有效地避免标签的串读、误读[13]。

由于现场作业人员流动性强，所以员工配置读写距离小于10cm的可读写高频标签(13.56MHz)，避免标签串读，标签内存储员工ID和身份信息。

工程机械再制造的零部件体积较大，在鉴定和修复工段，工人需要先通过阅读器读取零部件标签来获取该零部件的设备、检验等资源的说明。装配时工人要刷标签进行装配确认和数据采集，为了方便工人进行数据采集，为零部件配备一个可读写的超高频标签(915MHz)。通过调节标签的天线和读写器主机功率控制读写距离为1米，并进行防金属封装，标签内存储零件ID。车体配置超高频标签，控制读写距离为3米以内，标签内存放车体唯一识别码(VIN码)，车体标签进行防高温、防金属封装。

RFID标签与零件实体绑定作为其在再制造过程中的唯一标识和再制造过程信息的载体，生产过程中只需读取标签中物理实体的ID即可获取该实体的一些基础信息。作业完成以后把工序的一些关键质量数据存储到标签中，保证关键质量特性在工序间传递的可靠性，最终实现再制造过程信息流的完整、通畅。同时，在车间出入口和各工序放置读写器，当带有标签的零件经过这些读写器时，读写器将进入现场的零部件的种类和数量存入再制造过程信息追溯系统，实现零部件在车间位置、加工状态和加工进度的监控和管理。

3.2基于RFID技术的过程信息采集

再制造过程信息采集可分为两类：一是原材料信息的采集；二是由下达工单而产生的工单产物信息的采集。采用RFID系统后，通过标签的唯一UID号与工单产物ID绑定。建立标签与工单的关联，建立关联后，只需读取标签UID即可获得产物的物料需求、设备和质检要求等信息。同理，标签可以建立与原材料物料定义的关联。建立关联后，可以通过标签获得原材料的名称、物料规格、供应商等信息。关联关系如图4所示。

图4　基于RFID技术的再制造过程信息采集

本文系统采用固定式读写器与移动式读写器相结合的方式，作业者配有一个PDA手持终端，采用这种方式可以实现装配匹配和质检结果的校验，校验流程如图4所示。进入生产车间的每个关键零部件都附有一个RFID标签，装配作业时，RFID阅读器读取标签中车体的VIN后，会在手持终端显示当前工序需要安装的零部件的名称、规格等。作业人员安装相应零部件，并读取零部件标签中的信息进行信息比对，如果匹配成功则把零件ID存储到车体标签和再制造追溯系统中。

有自检项的加工工序或检验工序读取车体标签后，在手持终端会显示该工序的检验规格和检验方式。检验完成后把检验结果与检验规格进行比对，如果检验合格则把检验结果存储到车体标签和追溯系统中；如果不合格则查询该工序的技术要求，调整后复检。

4　系统实现技术

4.1系统开发环境

本文系统采用B/S架构的柔性数字化制造系统——F++Builder为系统快速开发平台。二次开发环境为MicrosoftVisualStudio2010，数据库采用适合多操作系统和大数据处理的Oracle11g，逻辑层用C#开发，数据访问层和逻辑层分离。客户端采用ASP.NET动态网页技术进行用户界面开发，页面布局采用DIV+CSS进行渲染，使用脚本语言JAVASCRIPT以及网页控件实现网页的动态效果。

4.2再制造过程信息追溯流程

再制造过程信息追溯可分为正向跟踪和逆向追溯两个部分，正向跟踪是根据零部件的标识确定被装配到哪个部件或整机，逆向追溯是根据产品标示反向追溯到其回收、拆解、修复和装配的各个过程。

再制造追溯系统的主要任务是对再制造产品的形成过程信息进行提取和管理。为了提高查询内容的可读性，本文按追溯内容的不同，把系统分为检验过程追溯、加工过程追溯、物料追溯三种追溯方式。在本文系统中，产品的形成过程是在工单下达后，在生产工艺的控制下，经过不同的工序作业最终形成产品的过程。因此，本文系统追溯的基本原理是根据产品的唯一标识号，利用数据库中已构建的工单和整机的谱系关系，查询产品对应的装配或调试的工单号；利用工单与产品形成过程的工序之间的链接关系，查询出产品形成过程的工序过程表，工序过程表记录了产品形成的详细过程信息。以再制造整机为例，追溯流程如下：在加工过程追溯模块，根据整机的唯一识别码可以追溯到所有的装配与调试工单，进一步可以追溯到完成整机装配或调试工单的工序，工序与加工历史相对应，包括工序名称、操作者、设备编号等过程信息；检验过程信息的追溯与加工过程信息追溯流程类似，在检验过程追溯模块可以追溯到工序对应的作业名称、检验员、检验结果等检验过程信息；利用整机和零部件的映射关系，由整机序列号可以直接追溯到组成整机的零部件，其中自制件(自制新件或修复件)可按上述流程追溯其加工和检验过程信息，而采购件由采购单号可追溯到采购员、供应商、到货质检结果等信息。追溯流程如图5所示。

图5　再制造整机过程信息追溯流程图

4.3应用案例

在国家高技术研究发展计划项目的支持下，该系统已成功应用于武汉某工程机械再制造有限公司。系统的应用使企业能及时、准确地获取生产线的生产过程数据，提高了企业对生产现场的监控能力。通过对关键零部件的唯一标识，实现了再制造过程信息的跟踪和追溯。图6为PDA手持终端实现的两个界面，利用该终端提供的装配匹配校验和检验结果校验功能，系统应用后，车间的生产率提高了30%，再制造修复件的不合格率降低了35%，零件装配出错率降低了85%。图7为再制造物料追溯界面，系统应用后，存在质量问题的再制造产品的平均追溯时间由原来的10小时降低为现在的30分钟。系统的应用有效提高了再制造过程的生产效率和再制造产品的质量。

图6　PDA手持终端界面

图7　整机物料追溯界面

5　结　语

本文以武汉某工程机械再制造公司为背景，采用ASP.NET技术构建了基于B/S模式的再制造过程信息跟踪和追溯系统，提高了企业对再制造过程管理和追溯的能力。为了保证再制造过程信息采集和传输的准确性，构建了基于RFID技术和Zigbee数据传输技术的数据采集平台，实现了再制造过程信息的采集，提升了对工程机械再制造过程信息的数字化管理能力，提高了企业对质量问题的响应速度，缩短了追溯的时间和成本，便于企业进行精细化管理。该系统还可以用于出现质量问题的产品召回，同时该系统也对国内其他再制造企业起到了示范作用。

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DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHESYSTEMOFINFORMATIONTRACINGINTHEPROCESSOFENGINEERINGMACHINERYREMANUFACTURINGBASEDONB/SMODE

HuangXiangmingSuBiaoWangFulinZhangChuanjie

(CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,Hunan,China)

Aimingatseveralproblemssuchasinformationdecentralization,unknowntracingrelationship,deficiencyoftracingabilityandunachievableremanufacturingprocessinformationtracinginthetracingmanagementinremanufacturingenterprises,asystemofinformationtracinginremanufacturingprocessbasedonB/Smodelisputforward.Thetracinginformationlinkofremanufacturingprocessisdesignedbasedonanalyzingtheinformationcharacteristicintheprocessofengineeringmachineryremanufacturing.Accordingtothislink,thearchitecturepatternandthestructuremodelofthesystemfunctionofthesystemofinformationtracinginremanufacturingprocessarepresented.Afteranalyzingthetagtypeswhichapplytoinformationcollectionintheprocessofengineeringmachineryremanufacturing,thekeytechnologyandthesystemtracingprocessofsystemrealizationareputforward.ThedemonstrationapplicationinoneconstructionmachinerylimitedcompanyinWuhanindicatedthatthissystemcouldsatisfythetrackingandtracingofqualityandprocessinformationinremanufacturing.

RemanufacturingprocessB/SmodelTracingsystemEngineeringmachinery

2015-04-02。国家高技术研究发展计划项目(2013AA040206)。黄向明，副教授，主研领域：企业物流系统设计与优化，再制造。宿彪，硕士生。王伏林，副教授。张传杰，硕士生。

TP

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.018